Древесноугольная металлургия (Часть 1)
Самая консервативная технология. Углежжение и экология. От античности до современности.
Для тех, кто только присоединился - данный цикл показывает поступательное развитие металлургии от неолита до ...
Продолжение цикла публикаций из энциклопедии "Металлургия и время".
Предыдущие статьи цикла:
Истоки рудной металлургии
Ювелирное искусство - основа металлургии
Древний мир бронзового литья
Загадки сыродутного горна
Последние 150 лет существования металлургической индустрии отмечены постоянным усложнением и специализацией отдельных составляющих её производств. В частности, получение металлургического топлива в настоящее время зачастую воспринимается как самостоятельное производство, слабо связанное собственно с металлургией. Подобному взгляду особенно способствовало развитие переработки побочных химических продуктов, выделяемых из каменного угля в процессе коксования, что привело к «перемещению» коксохимической подотрасли в область химических технологий. Между тем, без специального топлива, которое в металлургии по совместительству является и восстановителем, невозможен процесс производства из руд железа и большинства цветных металлов. На протяжении нескольких тысяч лет получение металлургического топлива воспринималось как неотъемлемая часть металлургического производства.
Благодаря современным средствам массовой информации сегодня вряд ли найдется человек, не имеющий представления о проблеме парниковых газов, главным источником которых является использование ископаемого топлива. Наиболее эффективно «борются» с этими опасными спутниками прогресса растения, поглощающие углекислый газ (диоксид углерода) и производящие кислород. В ряде стран мира, и прежде всего в Бразилии, в доменном производстве активно используют древесный уголь, который получают из эвкалиптов - быстрорастущих деревьев. Для этого создают специальные плантации с высоким «оборотом» выращиваемой и периодически вырубаемой древесины. При получении древесного угля, выплавке чугуна и сжигании доменного газа диоксид углерода выделяется, а при выращивании эвкалиптов - поглощается, причём поглощается почти в три раза больше. Итак, хотим победить парниковый эффект - возрождаем древесноугольную металлургию?!
Конечно, в этом призыве есть доля шутки: подобное возможно лишь в ограниченных объёмах и в странах, где климат способствует быстрому росту деревьев. В противном случае использование древесного угля приведёт лишь к сведению лесов, что хорошо видно из следующего очерка. Однако в условиях, когда прирост древесины превышает её вырубку, доменное производство с применением древесного угля оказывается действительно эффективным как с точки зрения экономики (для удовлетворения нужд местных потребителей, когда не требуются большие объёмы производства), так и с точки зрения охраны окружающей среды.
Древнейшее металлургическое топливо
Практически все издревле доступные человеку химические элементы на нашей планете, кроме благородных металлов, присутствуют в природе в составе соединений с кислородом, реже с серой и другими элементами.
Это означает, что для их выделения в чистом виде необходимо затратить энергию. Лишь один элемент, благодаря тому что растения, ассимилируя энергию солнца, используют её для строительства клеток, находится в состоянии, позволяющем ему окисляться с выделением тепла. Человек давно оценил эту данную природой возможность, что позволило ему выжить в суровой дикой природе, постепенно улучшить условия существования, а позднее - производить из руд металлы, построить индустриальную цивилизацию и обеспечить комфортный уровень жизни.
Вряд ли когда-нибудь будет достоверно установлено, когда и в какой части планеты человек впервые установил, что обугливание древесины без сгорания позволяет получить топливо, гораздо более удобное в использовании и функциональное - древесный уголь. Разделение эндотермического процесса обугливания (удаления из древесины влаги, кислорода и водорода) и экзотермического процесса горения, которые «в условиях костра» происходят одновременно, позволило в случае применения древесного угля снизить потери тепла и получить существенно более высокую температуру.
Использование древесного угля, особенно совместно с применением принудительного воздушного дутья, привело к увеличению «температурного потенциала» цивилизации, что способствовало развитию производства керамики и стекольного дела. Благодаря тому что, в отличие от дров, древесный уголь является практически бездымным топливом, он нашёл широкое применение в быту при приготовлении пищи и обогреве помещений с использованием открытых жаровен. Наконец, именно благодаря древесному углю человечество получило возможность выплавлять из руд медь и железо.
Самая консервативная технология
Технологию производства древесного угля можно по праву считать самой консервативной в истории человечества - она просуществовала практически в неизменном виде несколько тысяч лет, со времени своего зарождения до середины XIX века.
Причём на протяжении многих веков это производство было самым масштабным - ведь оно поставляло топливо для всех производств, требующих высоких температур, а также для многочисленных домашних хозяйств.
К сожалению, о технологии углежжения в период зарождения и становления металлургического производства известно только благодаря археологическим раскопкам в местах концентрации древних производств. При этом исследователи, как правило, основное внимание уделяют непосредственно производству керамики, стекла и металла, а вот вопросам производства металлургического топлива посвящено совсем немного специальных исследований.
Известно, что древесный уголь широко применялся при получении и обработке металлов в Древнем Египте. Образцы его найдены археологами в захоронениях, относящихся к раннединастическому (4000-2680 гг. до н. э.) периоду и периоду I династии (3050-2850 гг. до н. э.). Особенно масштабным производство древесного угля было на территории Аравийской пустыни и на Синайском полуострове. Это привело к практически полному сведению лесов на этих территориях. Существует версия, что именно истощение запасов топлива, а не руд, вынудило египтян перенести производство металлов на периферийные территории государства с последующей транспортировкой готовых слитков в метрополию (например, медь в основном выплавляли в Тимне, недалеко от современного города Эйлата в Израиле).
В Месопотамии древесный уголь был известен с незапамятных времён, в частности, он применялся в качестве пигмента при раскраске гончарных изделий. При этом он всегда представлял существенную ценность в этом бедном лесами регионе. Найдено письмо вавилонского царя Хаммурапи (1793-1750 гг. до н. э.) к его слуге Син-Идиннаму, в котором он даёт распоряжение о скорейшей поставке дров для производства металла из поселения при рудниках Дур-Гургурри в Вавилон, чтобы тамошние металлурги «не сидели с пустыми руками». При этом царь обращал особое внимание на то, чтобы поставлялся только свежесрубленный лес, без сухих деревьев.
В местностях, бедных лесом, в качестве заменителя древесного угля использовались верблюжьи кизяки и кусты колючки. Греческий историк и географ Гней Помпей Страбон (ок. 64 г. до н. э. - ок.23 г. н. э.) упоминает о том, что мастера по бронзе использовали финиковые косточки в качестве заменителя древесного угля. Гай Плиний Секунд (Плиний Старший, 23-79 гг. н. э.) в «Естественной истории» пишет об использовании в Египте корней папируса для замены угля при кузнечной обработке железа.
Письменные источники
Первое описание свойств и способов использования древесного угля принадлежит перу (а точнее - стилосу) древнегреческого философа и естествоиспытателя Тиртама. Тиртам - ученик Платона, а позднее - любимый ученик, друг и преемник Аристотеля.
Именно Аристотель наградил его прозвищем, под которым он и остался в памяти потомков - Теофраст, т.е. «божественный оратор». За свою долгую и плодотворную жизнь (372-287 гг. до н. э.) Теофраст написал свыше 200 трудов по естествознанию, среди которых две книги о растениях: «История растений» и «Причины растений». Помимо основ классификации и физиологии растений, эти труды содержат описание горючих свойств различных видов древесины и получаемого из них угля. Кроме того, в сочинении «Об огне» Теофраст поясняет, почему «приготовленный» (древесный) уголь более чёрный, чем ископаемый, и даёт рекомендации по более эффективному его сжиганию, а в сочинении «О камнях» упоминает о том, что ископаемый уголь активно используется в кузнечном деле.
Теофраст отмечает, что самый лучший уголь получается из деревьев с плотной древесиной, в частности из дуба и земляничного дерева. Такие угли горят дольше и позволяют достичь более высоких температур, поэтому их охотно используют в процессе производства серебра «для первой переплавки руды» (Имеется в виду первая стадия производства серебра - выплавка его из руды, а при дальнейших операциях по его очистке от примесей предъявлялись менее строгие требования к качеству топлива).
При этом из всех плотных углей дубовый содержит самое большое количество золы, что ограничивает его применение при производстве металлов. По словам Теофраста, в случае если требуется мягкий уголь, например при производстве железа, «когда оно уже расплавилось» (Описывается стадия процесса плавки, когда уже произошло разделение на металл и шлак и требуется меньше тепла), используют уголь из эвбейского ореха, а при производстве серебра (Речь идёт о стадии очистки серебра от примесей) - уголь из алеппской сосны. Кузнецы предпочитают сосновый уголь дубовому, поскольку его легче разжечь, и, хотя он и даёт меньше жара, но горит ярким пламенем, а не тлеет.
Дерево для производства угля должно быть свежим и не старым (о том же писал Хаммурапи). Лучший уголь получается из зрелых деревьев, у которых плотность, влажность и количество золы находятся в оптимальных пропорциях. Что касается собственно выжига угля, то Теофраст рекомендовал выбрать гладкие и прямые поленья, чтобы можно было сложить их как можно плотнее в кучу, укрыть её дёрном, поджечь и периодически «помешивать» шестами. Также он даёт подробное описание процесса выделения газов при сжигании и обугливании различных пород дерева и рекомендации по использованию дров и изготовлению деревянного огнива.
Практически идентичные рекомендации по технологии производства древесного угля даёт и Плиний Старший в «Естественной истории». Кроме того, он подробно описывает технологии производства различных металлов и, в том числе, особенности использования древесного угля. Также он описывает возможности использования смолы, выделяемой при производстве древесного угля, особенно из деревьев хвойных пород. Об использовании смолы пишет и Теофраст - по его словам, она использовалась в качестве связующего для брикетирования угольной мелочи.
Экология углежжения
Благодаря римлянам, технология кучного (как вариант - ямного) выжига древесного угля постепенно распространилась по всему Pax Romana (римскому миру). Кроме того, римляне осуществляли торговлю углём, производимым в «промышленных центрах» в Греции, Македонии, Галлии и других областях, что позволило жителям Империи оценить удобство этого вида топлива по сравнению с дровами.
В этом аспекте необходимо особо отметить проблему воздействия производства топлива на окружающую среду, а особенно, когда дело касается древесного угля, проблему уничтожения лесов - обезлесение.
Отметим, что если рассматривать средиземноморский регион античного времени в целом, то, в первую очередь, растительности наносили урон бесчисленные овечьи стада. Что касается угля, то, по свидетельству Страбона, только его производство для выплавки меди и серебра позволило привести в порядок заросший дикими лесами Кипр. Однако в окрестностях крупных производственных центров дело обстояло иначе. Так, на острове Эльба - крупнейшем римском центре по производству железа - леса были вырублены ещё во времена Римской республики, и по этой причине добытую на острове руду перевозили в Популонию, расположенную рядом с богатыми лесом Лигурийскими горами.
Плиний отмечал, что, вследствие сведения лесов в Галлии приходится производить второй обжиг руды с помощью древесного угля (привезённого из других мест) вместо дров, что, безусловно, приводит к удорожанию производства. Он также отмечал недостаток древесного угля для обеспечения металлургии в области Кампанья. Несмотря на это, производство в этих областях продолжалось в течение сотен лет без каких-либо изменений за исключением роста себестоимости металла из-за увеличения затрат на перевозку топлива.
Географические, ландшафтные и погодные факторы
После падения в 476 г. Западной Римской империи на протяжении всего средневековья технология производства древесного угля не претерпевала существенных изменений.
Так, описание процесса выжига в изданном в 1540 г. труде «Пиротехния» («Pirotechnia») итальянского инженера и учёного Ванноччо Бирингуччо (Biringuccio, 1480-1539 гг.) мало чем отличается от аналогичных описаний Теофраста и Плиния Старшего. Бирингуччо, так же как и его предшественники, даёт наставления по выбору древесины для производства металлургического угля, характеризует её свойства в зависимости от условий произрастания деревьев, описывает технологию подготовки и обугливания дров, а также приводит советы по использованию различных сортов древесного угля. В частности, Бирингуччо рекомендует использовать ямный уголь только в кузнечных операциях, а для плавки руд применять кучной.
Добыча руды, углежжение и выплавка железа у средневековых германцев. По Г. Агриколе
Технология углежжения с использованием в качестве покровных материалов дёрна и земли могла применяться только в тех областях, где эти материалы имелись в наличии (в частности, в Европе). На Ближнем Востоке и в Египте в регионах с песчаными почвами обугливание древесины осуществляли, по-видимому, в ямах. Также проблема отсутствия качественных покровных материалов решалась путём сооружения специальных печей из камня.
Кучное (а) и ямное (б) производство древесного угля. По В. Бирингуччо
При этом следует иметь в виду, что печи для выжига древесного угля целесообразно было применять только там, где нельзя применить другой способ изолирования тлеющих дров от атмосферного воздуха. На первый взгляд это странно - ведь капитально построенная печь, в отличие от «кустарно» покрытой кучи, обеспечивает более высокое качество угля, позволяет существенно снизить трудоёмкость процесса, при этом требования к технологической дисциплине менее строгие и, наконец, сводится к минимуму риск для жизни и здоровья углежогов. Дело в том, что строить капитальное сооружение, работающее «на дровах», не имело никакого смысла - ведь окружающие лесные ресурсы довольно быстро истощались, а транспортировка готового угля требует гораздо меньше затрат, чем перевозка дров. При истощении леса углежоги просто переходили на другое место, где лес рос в изобилии, и продолжали там свою деятельность. При переходе на новое место пришлось бы бросать печи и строить новые, что, конечно, увеличило бы затраты на производство.
Ульевые печи для производства древесного угля. Национальный парк «Долина смерти». 1867г. Шт. Калифорния, США
Результатом неизбежного удаления угольного производства от металлургического, как уже говорилось выше, было постепенное удорожание угля, поскольку к нему добавлялась стоимость транспортировки, но другого выхода не было. В качестве примера можно отметить, что в конце XIX в., в заключительный период существования уральской древесноугольной металлургии, транспортировать дрова для обеспечения заводов топливом приходилось сплавом по реке, поскольку на заводах имелись печи для выжига угля. Это существенно снижало их и без того крайне низкую экономическую эффективность.
Производство древесного угля в кучах представляет собой многофакторный процесс: для того чтобы получить качественный древесный уголь, мастеру требовалось учитывать буквально всё - от свойств используемого дерева до погодных условий. У «певца Урала» Павла Бажова в коротком рассказе «Живинка в деле» есть два предложения, которые очень точно характеризуют эту особенность: «По нонешним временам, при печах-то, с этим попроще стало, а раньше, как уголь в кучах томили, вовсе мудрёное это дело было. Иной всю жизнь колотится, а до настоящего сорта уголь довести не может».
Источник: Энциклопедия «Металлургия и время», Голубев О.В., Карабасов Ю.С., Коротченко Н.А., Черноусов П.И.
Click to view